聚黑铝炸药的能量输出特性及评估方法

吴星亮，王 旭，徐飞扬，马 腾，董卓超，徐 森,2，刘大斌

（1. 南京理工大学化学与化工学院，江苏 南京 210094；2. 国家民用爆破器材质量监督检验中心，江苏 南京 210094）

炸药的能量输出水平是衡量炸药性能的重要参数，是炸药爆炸时对周围介质做功能力的一种度量，同时也是装药结构设计的主要依据，因此有必要采取一定的方法对炸药的能量输出进行评估[1–2]。

目前，按照质量大小，可将炸药的能量水平分为2 类[3–5]：小当量级别（几克至几十克），如铅柱法、臼炮法、爆热法等；大当量级别（几百克至几千克），如水下爆炸法、空爆法等。小当量方法的实验量小，易开展，但不能完全准确地呈现炸药的能量水平；大当量方法则相反。Cudziło 等[6]采用一个水量热装置研究了含有Al、Al/ZrH2、ZrH2、TiH24 种添加剂的RDX 基炸药，发现当Al 的含量为30%时，爆热达到最大值，为7190 J/g。Xiang 等[7]研究发现，高氯酸铵（AP）可以有效地提高RDX 含铝炸药的爆热，并通过KHT 代码计算了TNT、RDX、HMX、RDX/AP 基含铝炸药的爆炸性能，其中爆热结果与实验结果保持一致。近年来，国内外广泛采用水下爆炸来评估炸药能量和分析炸药能量输出特性[8–10]。Zhao 等[11]通过水下爆炸实验，确定了Al 含量分别为0%、15%、30%的RDX 基含铝炸药的最佳性能。冯凇等[12]研究了CL-20 基PBXs 含铝炸药的水下爆炸过程，结果表明，当Al 含量从0%增加到15%时，水下爆炸总能量由1.4 倍TNT 当量增加到1.7 倍TNT 当量。Xiao 等[13]通过数值模拟获得了PETN 空爆中的超压和冲量，从而拟合计算出超压和冲量的TNT 当量（1.258 和1.272）。Li 等[14]研究了B/Al 复合粉HMX 基金属化炸药的空爆能量输出特性，结果表明，其冲击波超压高于含Al 炸药。在本课题组的前期研究中, Xu 等[15]、Chen 等[16]通过水下爆炸研究了Al/B 粉和新型储氢合金RDX 基含铝炸药的性能，最大能量达到了2.1 倍TNT 当量。以上研究表明，爆热、水下爆炸、空爆3 种实验方法均能研究炸药的爆炸性能，但是如何准确表述这3 种实验方法得到的炸药能量之间的关系仍是人们关注的焦点问题。其中，如何安全顺利地进行大当量的含能材料能量输出试验，对部分研究人员仍然是一个挑战。

以某型聚黑铝（JHL-X）含铝炸药为实验样品，分别通过爆热、水下爆炸、空爆3 种实验方法研究其能量输出特性和能量水平，分析3 种评估JHL-X 炸药实验方法的关联性，以期为现有的含能材料能量输出评估方法提供基础研究依据。

1 实验样品及装置

1.1 实验样品

本实验以TNT（2,4,6-Trinitrotoluene）和RDX 基聚黑铝（JHL-X）两种压装药柱作为实验样品，其密度分别为1.60、1.87 g/cm3。针对不同的实验，JHL-X 的药量有(28.1 ± 0.1) g、(100.0 ± 0.2) g、(1584.0 ± 1.0) g 3 种，分别对应爆热、水下爆炸、空爆3 种实验。

1.2 绝热式爆热量热仪

绝热式爆热量热仪主要由爆热弹体、绝热循环系统及计算机数据采集系统组成，爆热弹容积为5 L，如图1 所示。实验样品精确称量到0.1 mg，以蒸馏水为测温介质，测定水温变化。根据热量计的热容量及温升值，即可求出单位质量试样在给定条件下的爆热，计算公式为

图1 绝热式爆热量热仪Fig. 1 Adiabatic detonation calorimeter

式中：QV,T为样品定容爆热，kJ/kg；C为系统热容量值，由苯甲酸进行标定，kJ/K；t1为量热桶内的最终水温，K；t0为量热桶内的初始水温，K；Qd为雷管的爆热，kJ；m为样品的质量，kg。

1.3 水下爆炸系统

水下爆炸实验在 ∅8.0 m × 8.0 m 的圆柱形水池中进行，样品和传感器的入水深度为4.0 m，传感器与爆心的水平距离为3.0 m，装药结构如图2 所示，实验布局见图3。

图2 装药结构Fig. 2 Charge structure

图3 水下爆炸系统Fig. 3 Underwater explosive device

采用PCB138A10 水下激波传感器（美国PCB 公司，量程为0～68950 kPa，灵敏度（± 15%）为0.073 mV/kPa）测定药柱样品在水下爆炸时产生的冲击波压力随时间的变化曲线和第1 次气泡脉动周期。将药柱样品装入塑封袋内并置于水中。以10 g RDX 压装药作为传爆药柱，采用8#工业雷管进行起爆。

1.4 空爆系统

为减小地面反射波的干扰，实验在沙地上进行。将样品置于空中，炸高为1.25 m。在以爆心垂直投影点为起点互成60°的两条射线（OA、OB）上布置压力传感器，每条线上布置4 个，分别距爆心垂直投影点1.0、1.5、2.0、2.5 m。传感器均用圆柱形铁柱固定并与地面平行。采用PCB 公司生产的动态压力传感器（型号113B21 系列，量程为0～6.9 MPa，灵敏度为1.45 mV/kPa）对产生的地面压力进行收集。实验布局见图4 。

图4 空爆系统Fig. 4 Air blast device

2 结果与讨论

2.1 爆热法

采用绝热式爆热量热仪分别在真空、N2（0.1 MPa）、空气（0.1 MPa）3 种条件下对样品进行实验研究，结果如表1 所示，其中：QV,T为实测爆热的平均值。按B-W 法写出TNT 爆炸反应方程式

根据Hess 定律计算出TNT 的理论爆热值为4186.5 J/g。从表1 中可以看出，TNT 爆热的实验均值为4170.878 J/g，与理论值一致，相对偏差为0.3%。

表1 绝热式量热仪的爆热结果Table 1 Experimental results of adiabatic detonation calorimeter

在真空条件下测得JHL-X 的爆热值为7301.088 J/g，为1.75 倍TNT 当量。同时，在N2气氛下测得JHL-X 的爆热值为7308.060 J/g，与真空条件下相当，表明N2对JHL-X 的爆热值没有影响，N2不参与爆轰反应。当实验条件换成空气（0.1 MPa）时，测得的JHL-X 爆热值增大，达到1.93 倍TNT 当量，比真空和N2条件下提高了10%，表明JHL-X 在空气中的反应更完全，释放能量更高。分析认为，空气为负氧炸药JHL-X 提供了氧，使炸药中的Al 反应更完全，Al 的反应使爆热值增大。

2.2 水下爆炸能量

炸药水下爆炸后，冲击波超压迅速达到最大值，随后以指数形式衰减至静水压力，公式为[9]

JHL-X 的冲击波超压变化和第1 次气泡脉动周期内的压力变化如图5 和图6 所示。TNT 和JHL-X两种炸药水下爆炸实验结果列于表2。从表2 中可以看出，JHL-X 的冲击波超压和衰减常数分别为5.888 MPa 和74.4 μs，分别为TNT 的1.08 倍和1.29 倍，表明在一定范围内，衰减常数与超压正相关。JHL-X 的脉动周期和气泡能的平均值分别为0.141 s 和4.614 kJ/g。Milleer[17]认为，含铝炸药的爆轰反应过程分为两个阶段：第1 个阶段是在CJ 反应区内，含铝炸药中的主体炸药发生爆轰并形成中间产物，同时少量铝粉参与反应；第2 阶段是CJ 面以后，大部分铝粉与中间产物反应形成最终产物。水下爆炸中，铝粉的能量主要在气泡膨胀过程中释放[18–19]。气泡膨胀过程中，铝粉反应释放的大量能量会导致炸药的气泡脉动周期和气泡能增大，因此JHL-X 的气泡能远大于TNT，达到TNT 的2.03 倍，而冲击波仅为TNT 的1.23 倍。JHL-X 的总能量达到1.83 倍TNT 当量，与真空条件下的爆热值（1.75 倍TNT 当量）基本处于同一水平，相差仅4.0%。这说明水下爆炸能量测试方法在一定程度上与真空条件下爆热能量测试方法保持一致。

图5 JHL-X 的水下爆炸冲击波压力Fig. 5 Shock wave pressure of JHL-X in underwater explosion

图6 JHL-X 在第1 次气泡脉动期间的压力曲线Fig. 6 Pressure curve of JHL-X during the first bubble period

表2 水下爆炸结果Table 2 Underwater explosion results

2.3 空爆地面超压

JHL-X 和TNT 在空中爆炸后产生冲击波，冲击波对地面作用形成地面压力。随着距离的增加，地面超压迅速衰减，如图7、图8 和表3 所示，表3 中空白表示未采集到数据。

图7 TNT 和JHL-X 的冲击波超压Fig. 7 Overpressure of TNT and JHL-X

图8 JHL-X 的超压误差棒Fig. 8 Overpressure error bar of JHL-X

表3 TNT 和JHL-X 的超压Table 3 Overpressure of TNT and JHL-X

从图7 可以看出，相同位置上，JHL-X 的地面超压峰值大于TNT。如1.0 m 处，JHL-X 的超压峰值为2866.66 kPa，TNT 的超压峰值为892.54 kPa。随着距离的增加，两者的超压峰值呈指数衰减。若以1.0 m

式中：a、b、c为常数。

根据式(7)分别拟合出TNT 和JHL-X 的地面超压峰值随距离变化的公式，拟合结果如图9 所示。式(8)和式(9)分别为TNT 和JHL-X 的拟合公式，其拟合度分别为0.973 和0.996。

图9 TNT 和JHL-X 的拟合曲线Fig. 9 Fit curve of TNT and JHL-X

由式(9)可以计算出不同距离处的超压峰值pm，将JHL-X 在不同距离处的地面超压峰值pm代入式(8)中，得到相同位置处产生相同压力的TNT 质量w1，由此可计算其TNT 当量（w1/wTNT），如表4 所示。相关研究表明[20–21]，炸药在空中爆炸后产生的冲击波以球形向四周传播，对于传播到地面的冲击波，入射角在0°～40°区间属于正规反射区，入射角在40～90°区间属于马赫反射区。在1.0 m 处，其冲击波入射角为38.7°，因此1.0 m 处的测点位于正规反射区，受地面发射波的影响较大；1.5～2.5 m 处的测点位于马赫波发射区。拟合计算时，选取马赫波反射区的测点进行TNT 当量计算。由表4 可知，JHL-X 在1.5、2.0、2.5 m 处的TNT 当量分别为2.14、1.70、1.75，均值为1.86。

表4 JHL-X 的TNT 当量Table 4 TNT equivalence of JHL-X

2.4 能量评估分析

通过爆热、水下爆炸、空爆3 种实验方法分别对JHL-X 的能量进行了测定，其TNT 当量实验结果对比如图10 所示。水下爆炸实验结果与真空爆热结果一致，相差4.6%。分析认为，由于水下爆炸和真空爆热实验都处于无氧状态，仅炸药自身发生反应，进而对外做功或放热，因此在一定程度上两者的能量输出特性一致。空中爆炸所产生的地面超压的TNT 当量与空气中的爆热结果一致，相差3.6%。分析认为，两者的反应环境均为标准大气压，JHL-X 发生爆炸反应时，空气为两种实验提供了氧，使得JHL-X 中的Al 的反应得到增强，因此两者的总能量输出均有一定的增长，此时炸药能量释放得更完全。

图10 不同实验方法下JHL-X 的TNT 当量Fig. 10 TNT equivalent of JHL-X under different experimental methods

综上所述，爆热、水下爆炸、空爆3 种实验方法均能有效地评估炸药能量水平，且能量水平相当。然而，为了合理地评估炸药的能量水平，应根据炸药的实际用途采用不同的实验方法。当炸药的实际应用环境中无空气时，应采取真空爆热或水下爆炸方法评估其能量水平；当炸药的实际应用环境中存在空气时，需要考虑环境对炸药爆轰反应的影响，应采取空气中爆热或空爆法评估其能量水平。

3 结 论

通过爆热、水下爆炸、空爆3 种实验方法对聚黑铝炸药的能量及能量输出特性进行了评估，主要结论如下。

(1) JHL-X 在不同气氛条件下的爆热结果不同，空气中为8045.724 J/g（1.93 倍TNT 当量），比真空中的爆热值高10%，真空和N2中的爆热值为1.75 倍TNT 当量。JHL-X 的水下爆炸总能量为5.550 kJ/g，为1.83 倍TNT 当量。JHL-X 的空爆地面超压在1.5～2.5 m 范围内的能量为1.86 倍TNT 当量。

(2) 爆热、水下爆炸、空爆3 种实验方法均能有效地评估炸药的能量水平。由于实验方法不同，因此炸药所处的环境不同，能量输出存在一定的偏差。此外，计算炸药输出能量的方法也存在差异：爆热是以炸药的热量来计算总能量；水下爆炸以炸药爆炸后对水介质做功大小来计算能量，忽略了炸药在爆炸时所释放的热量；空爆以炸药爆炸产生的压力来衡量能量水平。因此，3 种实验方法所得出的JHL-X 能量水平在1.75～1.93 倍TNT 当量范围内。

(3) 在研发各种性能的炸药时，为了合理地评估其能量水平，需要根据炸药的种类和实际应用情况采取不同的实验方法。当炸药的实际应用环境中无空气时，应采取真空爆热或水下爆炸法评估其能量水平；当炸药的实际应用环境中存在空气时，则应采取空气中爆热或空爆法评估其能量水平。